甘蔗生产燃料乙醇发酵技术的进展

酒科技2007年第10期(总第160期)山 IQUOR-MAKING SCIENCE& TECHNOLOGY207No1Tol160)8语甘蔗生产燃料乙醇发酵技术的进展黄祖新',陈由强',张彦定,陈如凯,许莉萍2(1.福建师范大学生命科学学院福建闽侯3501082农业部甘蔗生理生态与遗传改良重点实验室,福建福州35001)摘要:乙醇是来自生物质资源的最有发展前景的液态燃料。以甘蔗原料生产燃料乙醇的产出量最具优势,发酵技术是甘蔗生产燃料乙醇的关键技术。详述了国内外甘蔗生产燃料乙醇的发酵术的现状及进展关键词:燃料乙醇;甘蔗;发酵;生物质能源中图分类号:TS2622;T2614文献标识码:A文章编号:1001-9286(2007)10-081-04Advances on Fermenting Technology of Fuel Ethanol Production from SugarcaneHUANG Zu-xin, CHEN You-qiang', ZHANG Yan-ding, CHEN Ru-kai'and XU Li-ping2(1. College of Life Science Fujian Normal University, Minhou, Fuzbou, Fujian 350108; 2. Key Lab of Eco-physiologyGenetic Improvement for Sugarcane, Ministry of Agriculture, Fuzhou, Fujian 350002, ChinaAbstract: The ethanol is a biomass energy liquid fuel which has the most potential future. The sugarcane products fuelethanol, which is the most advantage. The fermenting technology is key of sugarcane products fuel ethanol. This text dis-cussed the ferment technology of sugarcane produces fuel ethanol and its present conditions and the progress.Key words: fuel ethanol; sugarcane; fermentation; biomass energ20世纪后期,由于受食糖市场高度不稳定和石油在发酵罐体积不变的条件下,提高蔗汁发酵醪酒精浓危机的影响,最大的甘蔗生产国巴西因石油短缺,开始度。其次,大幅度降低能耗和水耗。高浓度发酵技术使用把目光投向该国丰富的甘蔗资源,投资396亿美元的耐高温、耐高浓度酒精酵母是关键。因此,选育耐高温、巨额资金实施了“生物能源计划”,巴西建立糖酒联产机耐高浓度发酵的酵母,缩短发酵时间提高蔗汁发酵酪制,开发蔗汁直接生产燃料乙醇工艺。目前,该国有23酒精浓度,提高发酵效率降低发酵成本,以达到解决当的甘蔗用来生产燃料乙醇,已经有燃烧纯乙醇的车辆投前生物质原料低成本、大规模生产燃料酒精的目的。入使用,摆脱了石油长期受制于人的局面被誉为“绿色1.1传统诱变筛选法能源之国”。通过传统诱变技术处理酵母的原始菌株,对诱变后近年来国际油价大幅度上涨能源问题又彰显其重的菌株进行筛选目的菌株。传统诱变产生的效果往往不要性。国内外对燃料乙醇生产的新技术的研究甚为活显著。如分离耐乙醇的突变菌株,在分离平板上加不同跃。发酵技术无疑是甘蔗生产燃料乙醇的关键技术。以浓度的乙醇从而选择生长速度快的菌落。但是,用上述下介绍国内外甘蔗生产燃料乙醇的发酵技术的现状及方法分离到的突变菌株不一定能在高浓度的乙醇中保发展趋势。持较高的发酵速度。主要是乙醇抑制酵母生长和抑制酵1选育甘蔗发酵生产燃料乙醇的优良性能的酵母母的乙醇发酵的机制是不相同的。12细胞融合法我国生产甘蔗都是地处热带及亚热带地区,环境平由于工业用酵母菌株优良性能特性的遗传控制背均温度较高,普通酵母菌发酵受到温度的影响,导致酒景十分复杂同时长期人为培养使用等种种原因很多精发醉效率的降低,蔗汁高浓度发酵技术是生产燃料乙菌株中国煤化工孢子不育株。这使得传醇发酵工艺的重大进步技术之一。它提高了发酵强度,CNMHG基金项目:农业部“948”项目资助(项号:2006G37)。收稿日期:200705-29作者简介:黄祖新(1956),男,福建福州人,大学本科高级工程师发表论文20余篇酿酒科技2007年第10期(总第160期) LIQUOR- MAKING SCIENCE& TECHNOLOGY2007N.10T1.160统的诱变杂交育种和基因工程改造育种手段都受到不法发酵纤维素底物生成乙醇同程度的限制。从技术成熟度和成功几率看,细胞融合132基因敲除技术改变代谢途径明法较为适宜。特别是原生质体融合技术可克服细胞壁的在酵母发酵生产乙醇过程中,产生副产物甘油的消天然屏障,排除接合型的限制,实现多基因重组,并且可耗碳源在整个发酵过程约占4%。主要原因在厌氧条件以直接采用生产性能好的菌株作为亲株。原生质体融合下,酵母细胞呼吸链不起作用,为维持细胞内氧化还原技术是国内外选育优良酵母比较常用的研究方法。原生电势的平衡NADH还原成NAD只能通过生成甘油醇质体融合选育工作分为几个试验阶段:①选择出发菌的途径。通过酵母细胞的氨基酸合成过程中,来改变辅株;②进行原生质体融合;③融合菌株评价与选育/④融助因子(NAD)的需求,达到转移代谢途径降低甘油形合菌株发酵性能试验;⑤融合菌株遗传学试验。据研究成。据研究报道:在酿酒酵母野生型的菌株中存在由报道:日本三井造船株式会社用细胞融合法选育酵母GDH基因编码的 NADPH依赖型的谷氨酸脱氢酶催新菌株。亲株酿酒酵母TJ1在35℃下发酵良好具有絮化完成的反应:-酮戊二酸+NH+ NADPH→谷氮酸凝性;另一亲株N酿酒酵母耐高温和耐乙醇性均强但+NADP;而酿酒酵母中存在另外两种分别由GDH2和无絮凝性。将上述两亲株通过原生质体融合后,获得融GDH3基因编码的NADH依赖型的谷氨酸脱氢酶催化合菌株AM2兼有两亲株的特性,在72h能生成20%完成的反应:a-酮戊二酸+NH*+NADH→谷氨酸的乙醇,发酵速度比原亲株N1快1倍。融合菌株AM2+NAD,因此构建了一株敲除GDH基因,过量表达具有耐高温,耐乙醇性和絮凝性。GDH2基因的菌株TN19,其结果产物甘油的产率降低13基因工程改造法了38%,乙醇的产率提高10%酿酒酵母还存在另外一由于发酵产物乙醇及次级产物对酵母细胞的毒性,种合成谷氨酸的系统。2α-酮戊二酸+谷氨酰胺酵母细胞内的关键酶类的活性,酵母对底物利用的局限NADPH→谷氨酸+NADP(由GLT1基因编码的谷氨性,副产物的产生等种种原因,使得酵母细胞发酵产生酰氨合酶催化);谷氨酸+NH*+ATP→谷氨酰胺+乙醇产率不高。利用DNA重组技术通过操纵酵母细胞ADP+Pi(由GLN1基因编码的谷氨酰氨合酶催化)。同内的酶转运及调控功能,对细胞内特定生化反应进行理构建了一株敲除GDH1基因,过量表达GIT和修饰,以定向改变产品的生成或细胞性能,以达到提高GLNl基因的菌株,也可以强化铵盐的代谢流来达到提酵母细胞发酵乙醇的产率。这已成为酵母发酵生产乙醇高乙醇产量的目的。利用基因敲除技术国内研究报道的世界性研究热点。有:史文慧等和赵丽娟等通过PCR技术获得一段带131引入外源基因构建基因工程菌有筛选标识和酵母ADH2基因同源区域的目的基因,通甘蔗渣水解发酵生产乙醇是研究的热点。甘蔗渣富过醋酸锂转化法,使目的基因与酵母ADH2基因发生含纤维素和半纤维素,木糖是半纤维素水解液除葡萄糖ORF同源重组,使ADH2基因失去作用,获得一株外另外一个主要成分。如何将木糖转化成乙醇是实现甘ADH2基因被删除的突变单倍体菌株,其不利用乙醇做蔗渣生物转化成乙醇的关键环节。袁振宏等研肝究采用碳源,在发酵后期从而减少了乙醇的消耗乙醇产率得方法克隆得到树干毕赤氏酵母( pichia stipitis)木糖醇脱以提高。氢酶基因xy2,与克隆得到的休哈塔假丝酵母( (candida2固定化酵母连续发酵技术shehatae)木糖还原酶基因xyll,-起连接到酵母表达载体的强启动子GALF,得到融合表达载体 PYESZ-P12,固定化细胞技术为一项先进的生物技术,该技术在通过醋酸锂转化法将 PYESZ-Pl2转入酿酒酵母(S近代微生物发酵工业上的应用和发展,大大提高了酶促cerevisiae)构建成酸酒酵母重组工程菌发酵木糖产生乙反应效率并能进行自动化管道化等连续化生产。固醇木糖利用率高达813%。纤维素分解过程常因纤维定化酵母连续发酵技术就是将发酵性能优良酵母固定素酶类中的β-葡萄糖苷酶含量低,纤维二糖的积累而化,应用于传统酒精发酵工业间。利用发酵优良性能的抑制纤维素的分解。洪剑辉等通过PCR技术获得B-酵母,以新型的载体进行固定采用固定化酵母进行连葡萄糖苷酶基因bglI,经过 EcoR I, BanH I双酶切,续发酵。因载体内包埋着大量高活性优良酵母菌种,酵并和经相同酶切的穿梭表达载体pYX22连接构建了母中国煤化工菌种生长适应期。其重组质粒 prX-Sbgl,转化酿酒酵母W303-1AbgI基对数地大量向外繁殖活性CNMH因获得活性表达,B-葡萄糖苷酶酶活达到0504mL,“高的成一个强大的酵母种酵母基因工程菌能以纤维二糖作为唯一碳源,进行SSF源。在适宜的工艺条件下不断繁殖发酵。与传统的发酵技术相比,省去菌种逐级扩大培养的工段,避免因培种黄祖新,陈由强,张膚定陈如凯,许莉萍·甘蔗生产燃料乙醇发酵技术的进展过程带来的染菌机会,发酵罐内酵母数高达1.5~2.6母,采用培养基或发酵未完全的醪液由泵送入透析液区亿个mL,发酵适应能力强,发酵速度快而彻底,具有通过透析膜,除去乙醇和其他次级产物后,又回到发酵耐高酒精度(10%~12%o)低残糖(残余总糖1.2%区,如此循环,直至发酵完全后醪液才排出。其优点:酵1.8%)、耐高渗(28Bx直接发酵)、耐高温(33~37℃)、母固定化省去酵母培养繁殖所需的养料;可以提高发酵pH适应范围广的优点。固定化酵母连续发酵法即可满液的发酵基质糖的浓度;可以连续排出乙醇和其他次级足甘蔗生产燃料乙醇的高效发酵要求但因其使用寿命产物;排出液中没有酵母细胞,提高酵母发酵力;培养基长,仍然存在着染菌问题。一旦染菌将给酒精生产带或透析液进入发酵区得到灭菌减少染菌几率。来严重危害,如酵母活性降低,耗糖缓慢,醪液酸度上4甘蔗渣分解生产燃料酒精技术升,酒精度下降等。解决固定化酵母发酵过程中的染菌问题非常关键。41巴西 Dedini快速水解(DHR)方法明由巴西 Dedini, copersugars(联产糖-乙醇工厂)合作3甘蔗生产燃料乙醇的发酵新技术并出资研究,已建成5m/蔗渣快速水解中试工厂,处甘蔗发酵生产酒精从时间连续性上可以将发酵技理工艺为以乙醇-水的混合物作为溶剂;加稀硫酸0.1%术划分为间歇发酵和连续发酵。人们不断地进行发酵技025%作反应催化剂,在170~185℃,20~25MPa术的改造革新,其目的是提高酒精转化率和发酵速率,的条件下,在水解锅煮10~12min后,总还原糖转化率以及有利于发酵废液的再利用资源化。目前,甘蔗生产为59%水解液含糖80gL(该水解锅能力为20kgh粗燃料乙醇比较成熟的发酵新技术有:蔗渣),再用酵母转化为乙醇,乙醇连续发酵罐为10L3.!酵母细胞再循环法发酵生产酒精中试产率:1t50%蔗渣产乙醇100L左右,成本4274酵母细胞再循环法发酵生产酒精是最为可行的技美元/m3乙醇。术之一。利用高絮凝性酵母,在短时间发酵后酵母沉降42加拿大Ecp山p工艺于发酵罐底部,采用高速离心机分离回收酵母,返回发加拿大 Lignt公司与澳大利亚SRI合作以蔗渣为酵罐供循环发酵使用。酵母细胞再循环法可节省酵母培原料建立中试生产装备,特点是:用有机溶剂——乙醇养工序减少杂菌污染提高发酵罐中酵母的浓度,发酵在185℃,2.5Ma压力下蒸煮脱木质素及半纤维素,用直接进人主发酵期,缩短发酵周期(20~24h发酵时有机溶剂乙醇溶解木质素能使木质素不被过度破坏而间),提高发酵罐利用率,达到增产降耗。瑞典AIi-保持其活性状态,而更好地利用其生产高附加值产品Laval aB实验室研究开发糖蜜连续发酵生产酒精的除木质素和半纤维素后的浆料,更适合生产高质量纸或Biotin法利用高速离心机高效分离回收酵母,使用酵更利于水解变糖。蒸煮后脱水的净纤维浆料,可以再水母回用技术,酒精产率可提高5解获得六碳糖发酸制乙醇,或用此净纤维浆造纸。32抽提与发酵开行法4.3蔗渣二段水解制糠醛及酒精工艺巴西直接利用甘蔗发酵生产酒精的方法,即将整株广州甘蔗糖业研究所(即前轻工业部甘蔗糖业研究甘蔗茎洗净切成片段,烘干待用,生产时直接加水,接所)开展过“蔗渣二段水解制糠醛及酒精”的中间工厂试种酵母进行发酵后,蒸馏生产酒精。抽提与发酵并行法验蔗渣二段水解制糠醛及酒精项目的规模为:耐酸生产时一边通过水抽提甘蔗片段中的糖分,酵母一边发水解锅容积700kL2个,200kL1个;27m3酒精发酵酵糖分。省去压榨甘蔗获取蔗汁的工序,节约设备投资,罐4个;蒸馏塔:粗馏塔直径2350cm,16层;精馏塔直径且可以贮存甘蔗,实现甘蔗生产燃料乙醇的全年均衡生为200cm,49层;后蒸馏塔直径200cm;每日能产酒精200L。中试结果,1t干蔗渣产糠醛60kg,酒精80kg。采3减少乙醇抑制发酵法用稀酸串连多级水解(4~5级)蒸汽消耗:糠醛每吨耗酒精发酵法是依赖于酵母发酵生产酒精,酒精发酵汽50t,酒精每吨耗汽5to过程酒精对酵母发酵产生抑制作用,在酒精发酵过程中44美国的蔗渣分解生产酒精工艺圓随酒精的生成不断将酒精及时从发酵醪中分离出,达到1980年,美国普度大学Tsao教授主持的再生资源去除反应产物的阻遏抑制,以提高酒精的转化率。从发实验中国煤化工D木糖异构酶将木酵醪中分离酒精的措施有几种:①真空蒸发法;②闪蒸糖异NMHd酮糖发酵生成酒精,式发酵法;③溶剂抽提法;④吸附乙醇法;⑤选择性膜分为大口开辟了新途径。美国离法。其中,具有发展前景的是选择性膜分离乙醇技术, BC Intemational公司计划投资900万美元,建立一个发酵生产区域分为透析区和发酵区,发酵区有固定化酵年产酒精7600万L的燃料酒精生产厂。以甘蔗残渣为842酿酒科技2007年第10期(总第160期)QUOR- MAKING SCIENCE& TECHNOLOGY2007No0Ta160原料,采用稀硫酸水解,其核心技术是佛罗里达大学开有机肥料,各种副产物进行综合利用和深加工,做到“榨发的转基因的Ecol菌株,可发酵水解液中的全部单糖干吃尽”,将整体预防的环境战略持续应用于酒精生产(包括五碳糖和六碳糖)。过程和酒精产品中,以期减少对人类和环境的危害。福4.5日本超级甘蔗生产酒精工艺建师范大学生命科学学院与农业部甘蔗重点实验室通日本朝日公司与日本农业研究中心合作研究的超过几年的研究,成功开发出能源甘蔗清汁发酵燃料乙醇级甘蔗这种超级甘蔗的正式名称是“高生物质甘蔗”,的新工艺,已获得国家发明专利。该工艺生产技术已经每公顷土地将出产374t超级甘蔗,可以加工出71t成熟,具有明显经济效益,可以推广利用。糖、43kL乙醇和24t甘蔗渣。而对于普通品种而言这参考文献4个数字分别是174t69t14kL和78t。日本3家公[陈陶声传统和最新的酒精生产技术D]北京:化学工业出司建成一个新型的拥有最先进设备的酒精厂吗。他们将版社,1990蔗渣粉碎然后用产生纤维素酶的细菌处理,将纤维素袁振宏,潛亚平刘继开,等代谢木糖和葡萄糖的重组酿酒分解为糖,再用固定化酵母连续发酵生产酒精。每天利酵母的构建(微生物通报,2006,33(3):104-108用720kg甘蔗渣可以生产200L的酒精。[3]尤蓉燃料乙醇的代谢工程研充进展[门微生物通报,2005,5能源甘蔗清汁发酵燃料乙醇的清洁生产新工艺32(3):113-116[4]史文慧林会兰,张广,等.用分子生物学法提高酵母菌产乙新工艺流程:醇的研究门工业微生物,2002,32(1):31-34甘蔗复合絮凝剂酒精脱水→燃料乙醇[5]赵丽娟,王德显程玉来,等利用基因敲除技术破坏酿酒酵乙醇脱氢酶Ⅱ基因的初步研究团食品与发酵工业压榨→混合汁→絮凝过滤→清汁→浓缩→发酵→蒸馏2005,31(11):30-33.[6]陈学鹏.固定化酵母在(糖蜜)酒精连续发酵生产中应用蔗渣→发电或生产纸浆滤泥→有机肥废醪液→浓缩→蛋白饲料酿酒科技,2001,(2):43-4能源甘蔗清汁发酵燃料乙醇的新工艺是以酒精清[7程曦译)Bisl法—个连续发酵蒸馏系统门甘蔗糖业,洁生产为出发点,排除甘蔗混合汁中影响正常发酵的非1992,(3):52-55糖分胶体物质及无机固体悬浮物,防止其经高温蒸馏形]染刚酒精发酵中代谢终产物抑制消除方法进展门酿酒科成难降解的化合物,以利于酵母回收循环使用时正常发酵。采用甘蔗清汁作为发酵基质,连续发酵缩短了发酵[9]保国裕依靠新技术提高用甘蔗生产燃料酒精的经济效益周期,有利于进行高浓度发酵提高发酵液酒精浓度。新门广西蔗糖2004,(4):46-48工艺产生的酒精废液具有良好的生物可降解性,经生物U10]黄祖新陈由强陈如凯等甘蔗渣的酶降解研究进展甘蔗2005,(4):52-56处理可达标排放,酒精废液可浓缩后制作动物蛋白饲u]保国裕蔗渣二段水解制低聚木糖及酒精的探讨叭广西蔗料,解决生物质原料发酵生产酒精的废液污染的难题。糖,2001,(3):25-29,41蔗渣可以作为燃料发电或生产纸浆蔗汁的滤泥可作为乡重“正重““重重“重重重“重近重重重“重世“香“重重“重內酿酒行业提供各种规格的鲜人参每瓶酒里装入一棵鲜人参,成本几角钱(如180~200棵1公斤的每棵成本02元),可使秀每瓶酒的售价提高2~5元。同时出售名种规格的干品人参和大规怒的鲜人参。购量大价格优惠,来场购货或场里去人送货均可,有意者请来函来电联系。供货单位:吉林省抚松县西岗乡东江沿爱林参场长:吕启东中国煤化工电话:(0439)6318265(0)13644393406CNMHG邮编:134504》孙净孙》孙》≯≯≯≯≯≯≯≯≯≯孙事》孙录弄录